0 引言

    隨著煤、石油、天然氣等不可再生能源的日益短缺，太陽能、風能等可再生新能源的開發與利用越來越受到人們的高度重視^[1-2]。新能源發電作為主要的應用形式，在改善生態環境、緩解電力供應緊張方面起到了至關重要的作用^[3-5]。而逆變技術是新能源發電的一項關鍵技術，能將新能源產生的直流電能轉換為交流電能并完成并網發電，其核心控制器的選取與設計對轉換速度與系統性能有較大的影響。就目前的并網逆變系統來說，大多是用MCU、ARM或DSP來作為核心控制器，基于這類控制器搭建的系統架構，主要是以串行工作方式來實現控制策略，較之于并行工作方式，運行速度與并網電流質量都會受到了一定的影響^[6-8]。因此，為提升系統運行速度、改善系統整體性能，在并行工作方式的FPGA開發平臺上，提出了一種基于SOPC控制技術實現的并網逆變器新架構，并通過一個1 kW的樣機測試結果來驗證了該方案的正確性、可行性與有效性。

1 系統架構

    圖1所示為文中所述的并網逆變器新架構，其核心控制器選用EP2C8Q208C的FPGA，擁有強大的并行運算能力，支持SOPC技術開發。圖中直流側輸入電壓為U_in（由前端新能源直接輸出或經前級升壓所獲）、并網電流為i_g、電網電壓為V_g、直流側參考電壓為U_r。這四路信號經AD轉換后送入FPGA(圖1虛線框部分)處理，得到兩路PWM信號經驅動電路對主電路的開關管Q1~Q4進行有序控制，從而完成逆變功能。ADPLL為全數字鎖相環，旨在獲取V_g的相位信息，用于構造正弦波表。網側并聯RLC電路為模擬系統孤島運行所需的本地負載。

2 調節器參數設計

    式中，k_ip為P調節器的比例系數，1/L_s為濾波器傳遞函數（忽略其寄生參數）。為提高響應速度，減小開關噪聲，環路帶寬f_ci一般要設置在（1/5~1/12）f_S處，且在fci處要有大于45°的相角裕度^[10]。帶入各參數，當k_ip=1.21時，可得G_oc(s)的幅頻特性如圖3所示，由圖可知，在f_ci=3 kHz且相角裕度約為90°，符合設計要求。

    在設計電壓外環時，可以將電流內環等效為一個1/ki的比例環節，于是，由圖2可得校正后電壓環的開環傳遞函數為：

    式中，k_vp、k_vi分別為PI調節器的比例系數與積分系數。為能穩定U_in，環路帶寬f_cv應設置在100 Hz以內，且需在f_cv處要有大于45°的相角裕度^[10]。代入各參數，當k_vp=0.72、k_vi=1.88時，可得G_ov(s)的幅頻特性如圖4所示，由圖可知，f_cv=15 Hz且相角裕度約為60°，符合設計要求。

3 系統構建

3.1 ADPLL設計

    在新能源并網發電系統中，為了保證逆變器輸出的電流始終能與電網電壓保持同頻率與同相位，文中基于圖5示出的原理構建了ADPLL的IP硬核。它較之傳統鎖相環有精度高、受溫度影響小、穩定性強與可移植性好的優點。圖中Mf₀與2Nf₀分別為K模可逆計數器與N分頻電路的時鐘，設計時取K=4，M=2N，f₀=50 Hz。依據文獻[11]，設計時選取三角載波頻率為60 kHz，故可計算出N=1 200，M=2 400。至此，采用VHDL語言對圖中各模塊進行編程、編譯、綜合與仿真，得到了如圖6所示的IP硬核與如圖7所示的功能仿真結果。由圖7可知，輸出信號f_out與50 Hz輸入信號f_in之間的相位差隨時鐘的推移逐步在縮小，且約在210 ms時保持同步，從而完成了對電網電壓頻率和相位的跟蹤。

3.2 系統IP硬核

    由于SOPC技術的軟核處理器是靠Avalon總線對外設進行訪問與控制的，故定制了如圖8所示的符合Avalon總線接口的外設PWM、電壓PI調節器及電流P調節器模塊。將已構建好的各分模塊依據圖9進行連接，便得到了逆變器并網控制系統IP硬核的構建圖。圖中atpll0為FPGA內置數字鎖相環，主要功能是分配系統各模塊所需的時鐘；ad7874_fifo為前端數據采集控制存儲IP硬核，可參照文獻[12]進行設計。由圖9可知，所構建系統IP硬核能順利地完成編譯、綜合及引腳分配，證實其能成功嵌入到FPGA中。

4 實驗結果

    基于上述理論分析，搭建了一個1 kW的光伏并網實驗樣機系統。相關電路參數為：直流輸入電壓U_in=400 V，交流輸出電壓有效值U_g=220 V/50 Hz，開關頻率f_S=30 kHz，電容C_in=470 μF/600 V，輸出濾波電感L=6 mH。

    圖10為所構建ADPLL模塊的實測波形，其中CH1是外部輸入的50 Hz方波信號，CH2為實測輸出信號。由圖可知，CH2的相位隨時間的推移在逐步進行調整，并最終能與CH1保持同頻同相，證實所構建的ADPLL模塊可實現同步鎖相功能。

    圖11為自定制PWM模塊的實測波形，圖11（a）為區域實測波形，圖11（b）為局部放大波形。由圖11（a）可知，信號CH1與CH2相位互補、脈寬按照正弦規律變化。由圖11（b）可知，信號CH1與CH2之間存有一定的死區時間，大約為4 μs，能防止逆變器橋臂的直通現象。

    圖12為樣機并網運行實測波形，其中CH1為電網電壓波形，CH2為逆變器輸出電流波形。由圖12可知，CH2與CH1有較強的同步跟蹤能力，雖CH2存有一些毛刺，但整體上卻有著良好的正弦度。

5 結論

    研究了逆變器的并網控制技術及其在FPGA上的實現，提出了一種基于SOPC控制技術實現的并網逆變器新架構，給出了控制策略調節器參數的設計方法，構建了基于SOPC的并網逆變器控制系統IP硬核。最后，在1 kW的實驗樣機上證實了所提架構是正確可行的，且實驗結果表明該方案的輸出電流對電網電壓具有良好的同步跟蹤能力。

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作者信息：

閻昌國1，龔仁喜2，劉小雍1，熊中剛1，楊  航1

（1. 遵義師范學院 工學院，貴州 遵義563006；2.廣西大學 電氣工程學院，廣西 南寧530004）